Homogeneizadores – Principio de funcionamiento, uso y ampliación

Los homogeneizadores son un tipo de mezcladores que aplican fuerzas mecánicas para mezclar, emulsionar, dispersar y disolver sistemas líquido-líquido y sólido-líquido. Dependiendo del modelo de homogeneizador, se utilizan cizallas rotativas, boquillas o ultrasonidos de alta potencia para crear las fuerzas necesarias para desintegrar y romper las partículas sólidas, así como las gotas de líquido. Obtenga más información sobre los dispositivos de homogeneización y sus aplicaciones en la investigación y la producción.

¿Qué es un homogeneizador?

Un homogeneizador es una clase de dispositivos de mezcla, que está diseñado para romper las partículas, tanto sólidas como líquidas, en una mezcla uniforme. Los homogeneizadores están disponibles como equipos de laboratorio, de sobremesa e industriales que se utilizan para diversas aplicaciones en la investigación y la industria. Las aplicaciones típicas de los homogeneizadores incluyen la mezcla y desintegración de diversos materiales, como partículas, pigmentos, productos químicos, plantas, alimentos, células y tejidos, entre otros.

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Homogeneizador industrial por ultrasonidos para dispersiones, emulsiones, reducción del tamaño de las partículas y aplicaciones de mezcla.

El MultiSonoReactor MSR-4 es un homogeneizador industrial en línea con ultrasonidos de 16.000 vatios de potencia para aplicaciones exigentes como nano-dispersiones y nano-emulsiones.

Resumen de los distintos tipos de homogeneizadores

Hay varios tipos de homogeneizadores disponibles en el mercado para su uso en la producción de mesa y a gran escala industrial. Sin embargo, los mezcladores rotor/estator (coloides), los homogeneizadores de alta presión y los homogeneizadores ultrasónicos son los modelos más utilizados.
Mezcladores de hélice o de pala tienen una cuchilla giratoria que gira a gran velocidad en el fondo del recipiente de mezcla, combinando así varios materiales en una mezcla homogénea.
Como el nombre de la mezclador rotor/estator ya implica, un mezclador rotor/estator tiene un rotor y un componente estator. El rotor es un eje metálico que gira a gran velocidad dentro del estator. El estator es la parte metálica que permanece inmóvil. La rotación del rotor crea un efecto de succión que mueve el material sólido-líquido entre el estator y el rotor, donde los sólidos se reducen a un tamaño de partícula menor.
El principio de funcionamiento del homogeneizador de alta presión (HPH) se basa en el uso de una bomba de alta presión y una válvula (boquilla, orificio), lo que hace que el equipo sea grande, pesado y caro. El lodo procesado es forzado con una alta velocidad de flujo a través de un pequeño orificio, lo que reduce el tamaño de las partículas, ya que éstas requieren un cierto tamaño pequeño para poder pasar a través de la válvula. Especialmente cuando se procesan sólidos, las HPH son propensas a atascarse.
homogeneizadores ultrasónicos utilizan las fuerzas de alto cizallamiento generadas por la cavitación acústica, lo que les confiere diversas ventajas sobre otras técnicas de homogeneización. A continuación se presenta el principio de funcionamiento y las ventajas de la homogeneización por ultrasonidos.

El video está demostrando la dispersión ultrasónica del color rojo usando el UP400St con una sonda S24d de 22mm.

Dispersión ultrasónica del color rojo usando el UP400St

Los ultrasonidos de alta potencia como fuerza homogeneizadora

Refuerzo ultrasónico y sonda (cascatroda) montados en la bocina del transductor ultrasónico UIP2000hdTUn homogeneizador ultrasónico utiliza vibraciones ultrasónicas de alta intensidad y cavitación para crear fuerzas de cizallamiento muy intensas, por lo que puede denominarse mezclador de alto cizallamiento superintenso. El secreto de las fuerzas de cizallamiento superintensas es la cavitación acústica, generada por ondas ultrasónicas de alta potencia. Un homogeneizador ultrasónico tiene un generador, que es la unidad de alimentación y control, y un transductor. El transductor contiene cerámicas piezoeléctricas. Estas cerámicas piezoeléctricas convierten la energía eléctrica en oscilación, ya que los cristales piezoeléctricos cambian su tamaño y forma cuando se aplica la tensión. Cuando la frecuencia del oscilador electrónico es igual a la frecuencia natural del cuarzo piezoeléctrico, se produce la resonancia. En condiciones de resonancia, el cuarzo produce ondas ultrasónicas longitudinales de gran amplitud.
Las ondas de ultrasonido generadas se acoplan a través de la sonda de ultrasonidos (sonotrodo / bocina) en el medio de proceso. La amplitud en la sonda ultrasónica determina la intensidad de las ondas ultrasónicas, que se transmiten al líquido o al lodo. Las ondas ultrasónicas generan ciclos alternos de alta y baja presión en los medios líquidos. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad producen pequeñas burbujas de vacío en el líquido. Durante el ciclo de alta presión, las pequeñas burbujas de vacío se colapsan de forma destructiva. Este fenómeno se denomina cavitación. La implosión de las burbujas de cavitación también puede generar chorros de líquido con una alta velocidad de hasta 280 m/s, lo que da lugar a potentes fuerzas de cizallamiento. Las fuerzas de cizallamiento rompen las partículas, provocan la colisión entre ellas y desorganizan mecánicamente las gotas y las células, promoviendo al mismo tiempo una transferencia de masa muy eficaz. Estas fuerzas de cavitación producen dispersiones, emulsiones y suspensiones uniformes y homogéneas, y también se sabe que promueven reacciones químicas (la llamada sonoquímica).

Cavitación acústica o ultrasónica: crecimiento e implosión de burbujas

La cavitación acústica (generada por ultrasonidos de alta potencia) crea condiciones locales extremas, los llamados efectos sonomecánicos y sonoquímicos. Debido a estos efectos, la sonicación reduce las partículas sólidas y líquidas y las mezcla en una formulación homogénea.

Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1000hdT (1kW) ultrasonicator

Cavitación ultrasónica en la sonda cascada del ultrasonidos UIP1000hdT (1000 vatios, 20kHz) en un reactor de vidrio. La luz roja del fondo se utiliza para mejorar la visibilidad de la cavitación.

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homogeneizadores ultrasónicos – Ventajas

Los homogeneizadores por ultrasonidos son superiores cuando se trata de la producción de sólidos-líquidos (los llamados lodos) y de suspensiones y soluciones líquido-líquidas. Dado que los ultrasonidos utilizan el principio de funcionamiento de la cavitación ultrasónica, el material debe estar húmedo o en fase húmeda, ya que la cavitación sólo se produce en el líquido. Esto significa que un ultrasonido no sería muy eficaz para mezclar un polvo seco, pero en cuanto el polvo se humedece, la sonicación es el método más eficaz para la mezcla. Los homogeneizadores por ultrasonidos son bien conocidos por mezclar, homogeneizar y dispersar de forma fiable incluso pastas y materiales muy viscosos. Las fuerzas extraordinariamente intensas causadas por la implosión de las burbujas de cavitación crean no sólo fuerzas de cizallamiento muy potentes, sino también altas temperaturas y presiones confinadas localmente, así como los respectivos diferenciales. Esta combinación de fuerzas físicas desintegra las partículas hasta tamaños mucho más pequeños que un homogeneizador convencional. Por lo tanto, los homogeneizadores ultrasónicos son el equipo preferido para la producción fiable de emulsiones y dispersiones de tamaño nanométrico.

Ventajas de la homogeneización por ultrasonidos

  • excelente eficiencia
  • capaz de suministrar energía altamente concentrada
  • resultados superiores en micras y nano
  • para emulsiones y dispersiones de tamaño micrométrico y nanométrico
  • cualquier volumen, desde mL hasta toneladas/hora
  • Por lotes y en línea
  • para el paso único y la recirculación
  • control de proceso exacto
  • Operación simple
  • fácil limpieza
  • Bajo mantenimiento

Aplicaciones de los homogeneizadores ultrasónicos

Los homogeneizadores ultrasónicos se utilizan ampliamente en instalaciones industriales y de laboratorio para homogeneizar suspensiones sólido-líquido y líquido-líquido, reducir el tamaño de las partículas, alterar y extraer material biológico, intensificar las reacciones químicas y disolver compuestos solubles.

La emulsificación ultrasónica

La emulsión es el proceso de mezclar dos o más líquidos inmiscibles para preparar una mezcla estable o semiestable. En general, estos dos líquidos consisten en una fase oleosa y una fase acuosa (agua). Para estabilizar la mezcla de las diferentes fases líquidas, se añade un emulsionante (tensioactivo / co-surfactante). El tamaño de las gotas de una emulsión desempeña un papel crucial en lo que respecta a su funcionalidad y estabilidad. Dado que los ultrasonidos crean fuerzas sonomecánicas que rompen las gotas y las reducen a gotas diminutas, la sonicación es un método muy popular para la producción de micro y nanoemulsiones. Los homogeneizadores ultrasónicos son una herramienta fiable para la producción de emulsiones O/W y W/O, emulsiones inversas, emulsiones dobles (O/W/O, W/O/W), miniemulsiones, así como emulsiones Pickering. Gracias a esta flexibilidad y a su fiable capacidad de emulsión, los homogeneizadores por ultrasonidos (a veces también denominados emulsionadores por ultrasonidos cuando se utilizan para la emulsión) se emplean, por ejemplo, en la industria química, alimentaria, farmacéutica y de combustibles para producir emulsiones estables a largo plazo.
Haga clic en los siguientes enlaces para obtener más información sobre Nanoemulsionesy Las emulsiones de Pickering!

dispersión ultrasónica

Los homogeneizadores ultrasónicos son muy eficaces cuando hay que reducir de forma fiable el tamaño de los aglomerados de partículas, los agregados e incluso las partículas primarias. La ventaja de los homogeneizadores por ultrasonidos es su capacidad para moler partículas hasta alcanzar tamaños más pequeños y uniformes, tanto si se trata de micropartículas como de nanopartículas como resultado del proceso. Las fuerzas de cizallamiento cavitacional y las corrientes de líquido aceleran las partículas para que choquen entre sí. Esto se conoce como colisión entre partículas. Las propias partículas actúan como medio de molienda, lo que evita la contaminación por perlas de molienda y el posterior proceso de separación, necesario cuando se utilizan molinos de perlas convencionales. Dado que las partículas chocan por colisión interpartículas a velocidades muy altas, de hasta 280 m/s, se aplican fuerzas extraordinariamente altas a las partículas, que por tanto se rompen en fracciones diminutas. La fricción y la erosión dan a esos fragmentos de partículas una superficie pulida y una forma uniforme. La combinación de las fuerzas de cizallamiento y la colisión entre partículas confieren a la homogeneización y la dispersión por ultrasonidos la ventaja de proporcionar suspensiones y dispersiones coloidales altamente homogéneas.
La secuencia de imágenes que aparece a continuación muestra las fuerzas de cavitación de los ultrasonidos sobre las escamas de grafito.

Exfoliación ultrasónica del grafeno en el agua

Secuencia de alta velocidad (de a a f) de fotogramas que ilustran la exfoliación sonomecánica de una escama de grafito en agua utilizando el UP200S, un ultrasonido de 200W con un sonotrodo de 3 mm. Las flechas muestran el lugar de la división (exfoliación) con burbujas de cavitación que penetran en la división.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersión y homogeneización de nanomateriales

Tanto para las emulsiones como para las dispersiones, la preparación de mezclas de tamaño nanométrico es una tarea difícil. La mayoría de las técnicas convencionales de homogeneización y mezcla, como los mezcladores de cuchillas, los molinos de bolas, los homogeneizadores de alta presión y otros mezcladores, son capaces de producir partículas de tamaño micrométrico, pero no pueden romper de forma fiable las gotas y los sólidos hasta el tamaño nano. Esto se debe principalmente a una intensidad insuficiente. Por ejemplo, los mezcladores de cuchillas no proporcionan suficiente cizallamiento para romper las partículas hasta el tamaño nano. Los molinos de bolas, otro tipo de homogeneizador, no pueden moler los sólidos de manera uniforme hasta un tamaño de partícula más fino que el de las propias bolas (medios de molienda). Las perlas de molienda convencionales tienen un tamaño medio de entre 1.500 mm – 35.000 mm. Otro problema es la contaminación por desgaste del medio de molienda. Dado que los ultrasonidos proporcionan fuerzas de cizallamiento extraordinariamente altas, pero controlables con precisión, la cavitación por ultrasonidos es la técnica preferida para la producción fiable de nano-dispersión y nano-emulsiones en laboratorio (R&D), piloto e industrial.

Para obtener información sobre otras aplicaciones de los homogeneizadores por ultrasonidos, haga clic en los siguientes enlaces

Homogeneizador ultrasónico UP200St acoplado a un reactor discontinuo de agitación continua

Reactor por lotes con agitación ultrasónica - UP200St

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La dispersión de sílice mediante un homogeneizador ultrasónico produce una distribución de partículas estrecha y homogénea.

Las dispersiones por ultrasonidos muestran una distribución uniforme del tamaño de las partículas con una reducción homogénea de las mismas. Las curvas muestran la distribución de partículas de sílice antes del ultrasonido (curva verde) y después de la dispersión ultrasónica (curva roja).

Ampliación de los procesos de homogeneización por ultrasonidos

Al pasar de un homogeneizador por ultrasonidos de laboratorio a un ultrasonido piloto, y de un sistema piloto a un homogeneizador por ultrasonidos de producción a gran escala, el escalado puede aplicarse de forma completamente lineal. Todos los parámetros importantes del proceso, como la amplitud, la presión, la temperatura y el tiempo de procesamiento, se mantienen constantes; sólo la superficie de la sonda ultrasónica y el ultrasonido como agitador energético de la sonda se escalan a unidades más grandes y potentes. La escalabilidad lineal de los procesos de homogeneización por ultrasonidos permite obtener en la gran producción los mismos resultados de alta calidad que en los entornos de laboratorio y piloto.

Encuentre el homogeneizador ultrasónico más adecuado para su proceso

Hielscher Ultrasonics es su socio de larga experiencia en homogeneizadores por ultrasonidos. Todos los ultrasonidos de Hielscher se diseñan, fabrican y prueban en nuestra sede en Alemania antes de enviarlos a nuestros clientes de todo el mundo. Los homogeneizadores por ultrasonidos de Hielscher son dispositivos de alta calidad que se caracterizan por su alto rendimiento constante, su fiabilidad, su robustez y su facilidad de uso. La sofisticación técnica de la tecnología de homogeneización por ultrasonidos proporciona a los usuarios de los equipos de Hielscher ventajas competitivas que los convierten en líderes del mercado en su sector. Con la amplia gama de productos, desde homogeneizadores de laboratorio y de sobremesa, hasta sistemas piloto y homogeneizadores ultrasónicos industriales completos para producciones comerciales, Hielscher tiene el sistema de mezcla por ultrasonidos ideal para sus necesidades. Los accesorios del colector permiten la configuración ideal del homogeneizador por ultrasonidos – que se adaptan a las necesidades individuales.
Díganos sus requisitos y especificaciones de proceso – estaremos encantados de recomendarle el homogeneizador ultrasónico más adecuado y eficaz para su aplicación.

Alta eficiencia con homogeneizadores ultrasónicos

Gracias a la extraordinaria eficiencia del proceso, los costes de inversión razonables, la altísima eficiencia energética y los bajos costes de mano de obra y mantenimiento, los homogeneizadores ultrasónicos de Hielscher superan a las técnicas de homogeneización convencionales y consiguen un rápido RoI (retorno de la inversión). A menudo, un homogeneizador ultrasónico se amortiza en pocos meses.

Ultrasonidos de alta potencia para la homogeneización industrial

Homogeneizador ultrasónico con reactor para el procesamiento en línea.La amplitud es el parámetro de proceso más importante en los procesos de homogeneización por ultrasonidos. Todos los ultrasonidos de Hielscher permiten el control preciso de la amplitud. Dependiendo del objetivo del proceso, se puede ajustar una amplitud más baja para condiciones de procesamiento más suaves o se elige una amplitud alta para resultados de dispersión más destructivos. Ultrasonidos Hielscher’ los procesadores industriales de ultrasonido pueden entregar amplitudes muy altas. Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente operadas continuamente en operación 24/7. Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados.

Bajo mantenimiento de los homogeneizadores ultrasónicos

Los homogeneizadores ultrasónicos no sólo son fáciles de limpiar, ya que el sonotrodo y el reactor son los únicos componentes que son partes húmedas y entran en contacto con el material procesado. El sonotrodo (también conocido como cuerno o sonda ultrasónica) y el reactor están hechos de titanio y acero inoxidable, respectivamente, y tienen geometrías limpias sin orificios ni esquinas muertas.
La única pieza sujeta a desgaste es la sonda de ultrasonidos, que puede sustituirse sin interrumpir significativamente el funcionamiento. El sonotrodo de un ultrasonido de laboratorio se cambia en unos 10 minutos, mientras que el cambio de un sonotrodo de un homogeneizador ultrasónico industrial puede llevar unos 30-45 minutos.

Póngase en contacto con nosotros. Nuestro experimentado equipo estará encantado de ofrecerle información técnica, recomendaciones de procesos y/o un presupuesto.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
0.3 a 60L 0.6 a 12L/min UIP6000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Los homogeneizadores de alto cizallamiento por ultrasonidos se utilizan en el laboratorio, en la mesa de trabajo, en los procesos piloto y en la industria.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.



Literatura / Referencias


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonido compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.